In den Naturwissenschaften und in der Technik sind es fluidmechanische Fragestellungen, die sowohl einen hohen strukturellen Aufwand (Windkanäle, Strömungsmessstrecken), ausgefeilte numerische Methoden (Strömungssimulation, Computational Fluid Dynamics, CFD) als auch eine sehr hohe theoretische Sachverständigkeit aller Beteiligten fordern. Potentiallöser sind gitterlose und in der Regel zweidimensionale Berechnungsverfahren. Unter der Voraussetzung reibungsfreier, inkompressibler Strömung lassen sich mit potentialtheoretischen Berechnungsverfahren unter bestimmten Voraussetzungen treffende Aussagen über Strömungsgrößen nahe der Außenkontur (ausgesuchter) Strömungskörper machen. Mit dem Ansatz reibungsfreier Strömung können wichtige Erkenntnisse im Verhalten umströmter Körper gewonnen werden. Surfboardfinnen sind als Leit- und Steuertragflächen im Bereich des Hecks von Surfboards wirksam. Das Manövrieren erfolgt mit körperkontrollierten, dem Board aufgezwungenen Bewegungen und diese wiederum durch Gewichtsverlagerung des Surfers, der Surferin. Surfboardfinnen sind wahrscheinlich die elementarsten Leit- und Steuertragflächen für Seefahrzeuge überhaupt. Die „Fast Fluid Computation (FFC)“ ist natürlich mehr als eine „beinahe Strömungsberechnung“. Das hier dargestellte Traglinienverfahren liefert einen ersten (schmutzigen) Beitrag zur Kenntnislage über die Strömungswirklichkeit einer vorgefundenen Tragfläche. Das ist nicht geringzuschätzen.
Inhaltsverzeichnis
1. Fast Fluid Computation, FFC (beinahe Strömungsberechnung)
2. Das Traglinienverfahren zur Analyse einfacher Tragflächen
3. Leit- und Steuertragflächen kleiner Seefahrzeuge
4. Der Betriebsbereich von Surfboardfinnen
5. Strömungsberechnung
5.1 Geometrie
5.2 Beiwerte und Koeffizienten
5.3 Geschwindigkeiten und Kräfte
5.4 Stoff
6. Technische Beschreibung
6.1 Fluiddynamisch wirksames Strömungsprofil aus geometrischen Grundfiguren
6.2 Stand der Technik und der Wissenschaft
6.3 Problembeschreibung
6.4 Problemlösung
6.5 Erzielbare Vorteile
6.6 Aufbau und Konstruktion des Profils
6.7 Teilkonstruktion Ellipse
6.8 Teilkonstruktion Kreis
6.9 Teilkonstruktion Tangente
6.10 Wirkungsweise
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und methodische Analyse eines einfach beschreibbaren, fluidmechanisch wirksamen Strömungsprofils für Kraft- und Arbeitstragflächen, das insbesondere für Anwendungen in kleinen Dimensionen oder bei niedrigen Reynolds-Zahlen geeignet ist.
- Entwicklung eines durch einfache geometrische Grundelemente (Ellipse, Kreis, Tangente) definierten Strömungsprofils.
- Analyse und Berechnung von Auftriebs- und Widerstandsbeiwerten mittels Potentialtheorie.
- Vergleich der Leistungsdaten der entwickelten Profilserie mit Referenzprofilen der NACA-Reihe.
- Optimierung der Profilkonstruktion hinsichtlich Fertigungsfreundlichkeit und Robustheit im Einsatz.
Auszug aus dem Buch
Erzielbare Vorteile
Mit einem fluidmechanisch wirksamen, symmetrischen Strömungsprofil, dessen Kontur durch die geometrischen Elemente Ellipse, Kreis und Tangente beschrieben wird und diese Kontur durch zwei Parameter vollständig und eindeutig definiert ist wird erreicht, dass
(1) in der Baupraxis, in der Reparatur- und Instandhaltungspraxis Strömungsbauteile und/oder deren Fertigungsmittel wie Profillehren oder Formen durch einfache mathematische Beziehungen (Ellipsengleichung, Kreisgleichung und Satz von Thales) beschrieben werden können und
(2) in der Konstruktionspraxis geometrische Vorgaben möglich werden oder existieren, die auch vom Laien mit geringsten Mitteln umgesetzt werden können. Das kann für Kraft- und Arbeitsmaschinen für den Einsatz in Entwicklungs- und Schwellenländern von Bedeutung sein.
(3) Die Erfindung zur Simplifizierung der Konstruktion und zur Robustheit im Betrieb der Kraft- und Arbeitstragflächen mit derartigen Profilen und Profilkonturen beiträgt. Dies ist von wirtschaftlichem Interesse.
Da selbst Laminarprofile mit der Determination beschreibbar werden, stellen Profile und Konturen gemäß der Erfindung eine Alternative für Kraft- und Arbeitstragflächen für Leit- und Steueraufgaben bei Seefahrzeugen oder in Strömungsmaschinen dar.
Zusammenfassung der Kapitel
Fast Fluid Computation, FFC (beinahe Strömungsberechnung): Einführung in die Notwendigkeit von bedienfreundlichen, ingenieurdidaktisch klugen Simulationsinstrumenten für strömungsmechanische Fragestellungen.
Das Traglinienverfahren zur Analyse einfacher Tragflächen: Erläuterung der theoretischen Grundlagen für die Anwendung von Potentialströmungen bei der Profilanalyse.
Leit- und Steuertragflächen kleiner Seefahrzeuge: Betrachtung der spezifischen Anforderungen an Surfboardfinnen als fluidmechanisch wirksame Bauteile.
Der Betriebsbereich von Surfboardfinnen: Detaillierte Untersuchung der Einsatzbedingungen und auftretenden Geschwindigkeitsbereiche bei der Nutzung von Surfboards.
Strömungsberechnung: Detaillierte Darstellung der verwendeten Parameter, Formeln und Koeffizienten für die numerische Profilanalyse.
Technische Beschreibung: Präsentation der Erfindung eines neuen, geometrisch einfach definierbaren Strömungsprofils und dessen Vorteile für Konstruktion und Fertigung.
Schlüsselwörter
Potentialtheorie, Traglinienverfahren, Strömungsprofil, Profilgeometrie, Reynolds-Zahl, Auftriebsbeiwert, Widerstandsbeiwert, Laminarprofil, Tragfläche, Surfboardfinne, Strömungsmechanik, Konstruktion, Optimierung, Geometrische Grundelemente, Simulation
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Es geht um die Vereinfachung der Konstruktion und Berechnung von Strömungsprofilen für kleine Kraft- und Arbeitstragflächen durch ein neues geometrisches Definitionsmodell.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind die Potentialtheorie, die aerodynamische bzw. hydrodynamische Profilanalyse und die geometrische Konstruktion von Strömungskörpern.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist ein Strömungsprofil zu entwickeln, das durch nur zwei Parameter eindeutig bestimmt ist und so eine einfache Fertigung und Skalierbarkeit für verschiedene Einsatzgebiete ermöglicht.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird das Traglinienverfahren in Verbindung mit der Potentialtheorie zur Berechnung der Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte genutzt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die mathematische Definition des Profils mittels Ellipse, Kreis und Tangente sowie die Leistungsanalyse und den Vergleich mit Standardprofilen wie dem NACA 67-020.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Potentialtheorie, Traglinienverfahren, Strömungsprofil, Reynolds-Zahl und geometrische Konstruktion charakterisiert.
Warum sind Surfboardfinnen ein spezielles Untersuchungsbeispiel?
Sie dienen als Beispiel für klein dimensionierte Strömungsprofile, bei denen eine robuste Funktion bei gleichzeitig einfacher Fertigung entscheidend ist.
Welche mathematischen Hilfsmittel werden für die Profilkonstruktion genutzt?
Zur Definition werden die Ellipsengleichung, die Kreisgleichung und der Satz von Thales verwendet.
Wie schneidet das neue Profil im Vergleich zum Referenzprofil ab?
Die Analyse zeigt, dass das entwickelte Profil in bestimmten Anstellwinkelbereichen konkurrenzfähige oder überlegene Leistungsdaten gegenüber dem Referenzprofil NACA 67-020 aufweist.
- Quote paper
- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Author), 2016, Fast Fluid Computation, FFC (beinahe Strömungsberechnung), Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/322622
